《集成電路制造技術(shù)》單晶硅特性-課件

集成電路制造技術(shù)

原理與工藝第1單元硅襯底1ppt課件鍺、硅、砷化鎵是微電子產(chǎn)品中使用最多的半導(dǎo)體材料，鍺使用最早，目前只有少量分立器件使用外。砷化鎵是用的最多的化合物半導(dǎo)體材料，主要作為高速集成電路的襯底材料。硅是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，無(wú)論在大功率器件還是各種集成電路都普遍使用硅作為襯底材料，對(duì)硅的研究最為深入，工藝也最為成熟。這一單元，首先介紹硅材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，說(shuō)明硅為何成為應(yīng)用最多的襯底材料，包括硅單晶的制備、硅片的加工及檢測(cè)，最后介紹氣相外延工藝的原理和方法。

緒論2ppt課件

第1章單晶硅特性1.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1.2硅晶體缺陷1.3硅中雜質(zhì)1.4雜質(zhì)在硅晶體中的溶解度1.5硅單晶的制備3ppt課件

1.1硅晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

硅是一種元素半導(dǎo)體，位于周期表中的IVA族，有四個(gè)價(jià)電子，其數(shù)目正好位于優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體(1個(gè)價(jià)電子)和絕緣體(8個(gè)價(jià)電子)的中間。自然界找不到純硅，必須經(jīng)過(guò)提煉和提純使其成為純硅。SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi硅原子分享共價(jià)電子以構(gòu)成類(lèi)似絕緣體的鍵

純硅的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)4ppt課件

硅、鍺、砷化鎵電學(xué)特性比較性質(zhì)SiGeGaAs禁帶寬度（eV）1.120.671.43禁帶類(lèi)型間接間接直接晶格電子遷移率（cm2/V·s）135039008600晶格空穴遷移率（cm2/V·s）4801900250本征載流子濃度（cm-3）1.45×10102.4×10189.0×106本征電阻率（Ω·cm）2.3×105471085ppt課件性質(zhì)SiGeGaAsSiO2原子序數(shù)143231/3314/8原子量或分子量28.972.6144.6360.08原子或分子密度（atoms/cm3）5.00×10224.42×10222.21×10222.30×1022晶體結(jié)構(gòu)金剛石金剛石閃鋅礦四面體無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)晶格常數(shù)（?）5.435.665.65密度（g/cm3）2.335.325.322.27相對(duì)介電常數(shù)11.716.319.43.9擊穿電場(chǎng)（V/μm）30835600熔點(diǎn)（℃）141793712381700蒸汽壓（托）10-7（1050℃）10-7（880℃）1（1050℃）10-3（1050℃）比熱（J/g·℃）0.700.310.351.00熱導(dǎo)率（W/cm·℃）1.500.60.80.01擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）0.900.360.440.006線熱膨脹系數(shù)（1/℃）2.5×10-65.8×10-65.9×10-60.5×10-6有效態(tài)密度（cm-3）導(dǎo)帶Nc價(jià)帶Nv2.8×10191.0×10191.0×10196.0×10184.7×10177.0×10186ppt課件

硅作為半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)硅的豐裕度（原料充分）；硅晶體表面易于生長(zhǎng)穩(wěn)定的氧化層，這對(duì)于保護(hù)硅器件表面或電路的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)都很重要；重量輕，密度只有2.33g/cm3；更高的溶化溫度允許更寬的工藝容限（熱學(xué)特性好，熱膨脹系數(shù)小，2.5*10-6/℃，熱導(dǎo)率高，1.50W/cm·℃；）更寬的工作溫度范圍單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；機(jī)械性能良好。7ppt課件

單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)

不僅SGS的超高純度對(duì)制造半導(dǎo)體器件非常關(guān)鍵，而且它也要有幾乎完美的晶體結(jié)構(gòu)。只有這樣才能避免對(duì)器件特性非常有害的電學(xué)和機(jī)械缺陷。單晶是一種固體材料，它的特點(diǎn)是在許多原子長(zhǎng)程范圍內(nèi)，原子都在三維空間中保持有序且重復(fù)的排列結(jié)構(gòu)，如圖所示。

晶體的原子排列8ppt課件

非晶材料是指非晶固體材料，它們沒(méi)有重復(fù)的結(jié)構(gòu)，并且在原子級(jí)結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)的是雜亂無(wú)序的結(jié)構(gòu)，如圖所示。非晶的原子排列

非晶材料的原子結(jié)構(gòu)9ppt課件1.1.2硅晶胞晶格常數(shù)：α=5.4305?原子密度：8/a3=5*1022cm-3原子半徑：rSi=√3a/8=1.17?空間利用率：

晶體中反映原子周期性排列基本特點(diǎn)及三維空間格子對(duì)稱(chēng)性的基本單元稱(chēng)為晶胞a10ppt課件1.1.3硅晶向、晶面和堆積模型硅的幾種常用晶向的原子分布圖晶格中原子可看作是處在一系列方向相同的平行直線系上，這種直線系稱(chēng)為晶列。通常用晶向指數(shù)來(lái)標(biāo)記某一晶列方向,記為[m1m2m3]。用<m1m2m3>表示等價(jià)的晶向.1/a1.41/a1.15/a晶向<100><010><001>11ppt課件

硅晶面晶體中所有原子可看作處于彼此平行的平面系上，這種平面系叫晶面。用晶面指數(shù)(h1h2h3，又稱(chēng)密勒指數(shù)）標(biāo)記。如（100）晶面，等價(jià)晶面表示為{100}[100]晶向和(100)晶面是垂直的。ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)12ppt課件

硅晶面硅常用晶面上原子分布(100)2/a2(110)2.8/a2(111)2.3/a213ppt課件硅晶體為雙層立方密積結(jié)構(gòu)硅單晶由兩套面心立方結(jié)構(gòu)套構(gòu)而成，有雙層密排面AA′BB′CC′雙層密排面：原子距離最近，結(jié)合最為牢固，能量最低，腐蝕困難，容易暴露在表面，在晶體生長(zhǎng)中有表面成為{111}晶面的趨勢(shì)。兩層雙層密排面之間：原子距離最遠(yuǎn)，結(jié)合脆弱，晶格缺陷容易在這里形成和擴(kuò)展，在外力作用下，很容易沿著{111}晶面劈裂，這種易劈裂的晶面稱(chēng)為晶體的解理面。14ppt課件[111]晶向是立方密積，(111)面是密排面

面心立方晶格15ppt課件

解理面（111）面為解理面，即為天然易破裂面。實(shí)際上由硅片破裂形狀也能判斷出硅面的晶向。（100）面與（111）面相交成矩形，（100）面硅片破裂時(shí)裂紋是呈矩形的；（111）面和其它（111）面相交呈三角形，因此（111）面硅片破裂時(shí)裂紋也是呈三角形，呈60°角。硅晶體不同晶面、晶向性質(zhì)有所差異，因此，微電子工藝是基于不同產(chǎn)品特性，采用不同晶面的硅片作為襯底材料。雙極常用(111)，MOS常用(100)。16ppt課件1.2硅晶體缺陷

為了很好地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的IC功能，半導(dǎo)體要求近乎完美的晶體結(jié)構(gòu)。晶體缺陷（也稱(chēng)微缺陷）就是在重復(fù)排列的晶胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的任何中斷或雜質(zhì)的引入。在單晶硅的生長(zhǎng)或加工過(guò)程中都可能產(chǎn)生缺陷。然而，現(xiàn)代工藝已經(jīng)可以生產(chǎn)缺陷密度非常低，甚至沒(méi)有缺陷的硅單晶錠。缺陷密度是在每平方厘米硅片上產(chǎn)生的缺陷數(shù)目。在硅中普遍存在三種缺陷形式：零維---點(diǎn)缺陷一維---線缺陷二、三維---面缺陷和體缺陷17ppt課件

1.2.1點(diǎn)缺陷本征空位A，A+間（填）隙原子B※弗倫克爾缺陷雜質(zhì)替位雜質(zhì)C填隙雜質(zhì)D/21cn/%E6%9D%90%E6%96%99%E7%A7%91%E5%AD%A6%E5%9F%BA%E7%A1%80/doc/chap3/images/6.swf18ppt課件雜質(zhì)缺陷是非本征點(diǎn)缺陷，是指硅晶體中的外來(lái)原子。雜質(zhì)中，填隙雜質(zhì)在微電子工藝中是應(yīng)盡量避免的，這些雜質(zhì)破壞了晶格的完整性，引起點(diǎn)陣的畸變，但對(duì)半導(dǎo)體晶體的電學(xué)性質(zhì)影響不大；而替位雜質(zhì)通常是在微電子工藝中有意摻入的雜質(zhì)。例如，硅晶體中摻入ⅢA、ⅤA族替位雜質(zhì)，目的是調(diào)節(jié)硅晶體的電導(dǎo)率；摻入貴金屬(Au等)的目的是在硅晶體中添加載流子復(fù)合中心，縮短載流子壽命。19ppt課件

1.2.2線缺陷線缺陷最常見(jiàn)的就是位錯(cuò)。位錯(cuò)附近，原子排列偏離了嚴(yán)格的周期性，相對(duì)位置發(fā)生了錯(cuò)亂。位錯(cuò)可看成由滑移形成，滑移后兩部分晶體重新吻合。在交界處形成位錯(cuò)。用滑移矢量表征滑移量大小和方向。123BA缺陷附近共價(jià)鍵被壓縮1、拉長(zhǎng)2、懸掛3，存在應(yīng)力20ppt課件刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)位錯(cuò)主要有刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)：位錯(cuò)線與滑移矢量垂直稱(chēng)刃位錯(cuò)；位錯(cuò)線與滑移矢量平行，稱(chēng)為螺位錯(cuò)。硅晶體的雙層密排面間原于價(jià)鍵密度最小，結(jié)合最弱，滑移常沿{111}面發(fā)生，位錯(cuò)線也就常在{111}晶面之間。該面稱(chēng)為滑移面。21ppt課件1.2.3面缺陷和體缺陷面缺陷主要是由于原子堆積排列次序發(fā)生錯(cuò)亂，稱(chēng)為堆垛層錯(cuò)，簡(jiǎn)稱(chēng)層錯(cuò)。體缺陷是雜質(zhì)在晶體中沉積形成；晶體中的空隙也是一種體缺陷。22ppt課件缺陷的產(chǎn)生及結(jié)團(tuán)缺陷是存在應(yīng)力的標(biāo)志，微電子工藝過(guò)程中能夠誘導(dǎo)缺陷的應(yīng)力主要有三種：存在大的溫度梯度，發(fā)生非均勻膨脹，在晶體內(nèi)形成熱塑性應(yīng)力而產(chǎn)生的誘生位錯(cuò)；晶體中存在高濃度的替位雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)和硅原子大小不同，形成內(nèi)部應(yīng)力誘生缺陷；硅晶體表面受到機(jī)械外力，如表面劃傷、或受到轟擊（離子，射線等），外力向晶體中傳遞，誘生缺陷。結(jié)團(tuán)作用高濃度低維缺陷傾向于集聚，形成更高維缺陷，釋放能量。23ppt課件

缺陷的去除

缺陷在器件的有源區(qū)（晶體管所在位置）影應(yīng)響其性能，必須設(shè)法使之減少。單晶生長(zhǎng)時(shí)的工藝控制；非本征吸雜，在無(wú)源區(qū)引入應(yīng)變或損傷區(qū)來(lái)吸雜；本征吸雜，氧是硅片內(nèi)固有的雜質(zhì)，硅中氧沉淀氧有吸雜作用，是一種本征吸雜。24ppt課件

1.3硅中雜質(zhì)半導(dǎo)體材料多以摻雜混合物狀態(tài)出現(xiàn)，雜質(zhì)有故意摻入的和無(wú)意摻入兩種情況。故意摻入Si中的雜質(zhì)有ⅢA、VA族、金。故意雜質(zhì)具有電活性，能改變硅晶體的電學(xué)特性。無(wú)意摻入Si中的雜質(zhì)有氧，碳等。1.45*101025ppt課件Si中雜質(zhì)類(lèi)型間隙式雜質(zhì)

主要是ⅠA和ⅧA族元素，有：Na、K、Li、H等，它們通常無(wú)電活性，在硅中以間隙方式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率快。替位式雜質(zhì)

主要是ⅢA和VA族元素，具有電活性，在硅中有較高的固濃度。以替位方式擴(kuò)散為主，也存在間隙-替位式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率慢，稱(chēng)為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。間隙—替位式雜質(zhì)

大多數(shù)過(guò)渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以間隙-替位方式擴(kuò)散，約比替位擴(kuò)散快五六個(gè)數(shù)量級(jí)，最終位于間隙和替位這兩種位置，位于間隙的雜質(zhì)無(wú)電活性，位于替位的雜質(zhì)具有電活性。26ppt課件

1.3.1雜質(zhì)對(duì)Si電學(xué)特性的影響ⅢA、VA族電活性雜質(zhì)主要有：硼、磷、砷，銻等淺能級(jí)雜質(zhì)金等雜質(zhì)在室溫時(shí)難以電離，多數(shù)無(wú)電活性，是復(fù)合中心，具有降低硅中載流子壽命的作用，是深能級(jí)雜質(zhì)空穴

硅晶體中硼電離示意圖BˉB束縛電子自由電子

硅晶體中磷電離示意圖P+P施主電離能

受主電離能

27ppt課件硅晶體中雜質(zhì)能級(jí)和電離能28ppt課件

硅單晶電阻率與摻雜濃度關(guān)系曲線

硅的電阻率-摻雜濃度曲線不同類(lèi)型雜質(zhì)對(duì)導(dǎo)電能力相互抵消的現(xiàn)象叫雜質(zhì)補(bǔ)償。硅中同時(shí)存在磷和硼，若磷的濃度高于硼，那么這就是N型硅。不過(guò)導(dǎo)帶中的電子濃度并不等于磷雜質(zhì)濃度，因?yàn)殡婋x的電子首先要填充受主，余下的才能發(fā)送到導(dǎo)帶。29ppt課件

1.3.2雜質(zhì)在硅晶體中的溶解度微電子產(chǎn)品使用的硅襯底不會(huì)是本證半導(dǎo)體，而是摻入了特定雜質(zhì)的固溶體，通常用固溶度和相圖表征混合物體在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下的性質(zhì)。一種元素B(溶質(zhì))引入到另一種元素A(溶劑)晶體中時(shí)，在達(dá)到一定濃度之前，不會(huì)有新相產(chǎn)生，仍保持原A晶體結(jié)構(gòu)，這樣的晶體稱(chēng)為固溶體。一定溫度下，雜質(zhì)在晶體中具有最大平衡濃度，這一平衡濃度就稱(chēng)為該雜質(zhì)B在晶體A中的固溶度。30ppt課件

固溶體固溶體主要可分為兩類(lèi)：替位式固溶體和間隙式固溶體。

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Si中ⅢA、VA族雜質(zhì)形成替位式有限固溶體。替位式固溶體溶劑和溶質(zhì)應(yīng)滿足必要條件：原子半徑相差小于15％，稱(chēng)“有利幾何因素”r：Si1.17,B0.89,P1.10?；原子外部電了殼層結(jié)構(gòu)相似；晶體結(jié)構(gòu)相似。31ppt課件

硅晶體中雜質(zhì)的固溶度摻雜濃度可以超過(guò)固溶度。給含雜質(zhì)原子的硅片加熱，再快速冷卻，雜質(zhì)濃度可超出其固溶度的10倍以上。32ppt課件相圖知識(shí)相圖是用來(lái)討論混合物體系性質(zhì)的一種圖示方法。相

定義為物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，這一狀態(tài)是由一組均勻的性質(zhì)來(lái)表征的。當(dāng)混合物體系中的各相均處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，一般包括一個(gè)以上固相的這種狀態(tài)圖就是相圖。相圖與大氣壓也有關(guān)，微電子工藝大多是常壓工藝，一般只使用常壓狀態(tài)的相圖。

33ppt課件相圖用途由材料的成分和溫度預(yù)知平衡相；材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時(shí)其平衡相發(fā)生變化的規(guī)律；估算平衡相的數(shù)量。預(yù)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)和性能34ppt課件相圖的構(gòu)成：由兩條曲線將相圖分為三個(gè)區(qū)。左右兩端點(diǎn)分別為各組元的熔點(diǎn)。上面的一條曲線稱(chēng)為液相線，液相線之上為液相的單相區(qū)，常用L表示；下面